測(cè)繪技術(shù)在礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王 遠(yuǎn)，江冬明

（國(guó)土資源部合肥礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心,安徽 合肥 230000）

我國(guó)國(guó)土面積廣闊、地大物博，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，采礦行業(yè)也取得了很大的進(jìn)展，但由此引起的地質(zhì)災(zāi)害與安全事故卻在一定程度上阻礙的礦山資源開(kāi)發(fā)，而且導(dǎo)致礦區(qū)環(huán)境嚴(yán)重破壞。因此，運(yùn)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)提升礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)水平迫在眉睫。本文介紹了目前我國(guó)常用的測(cè)繪技術(shù)與礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容，并結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了測(cè)繪技術(shù)在礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用要點(diǎn)，以期在最大程度上降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生率，為礦山開(kāi)采的安全性提供保障[1]。

1 礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中常用的測(cè)繪技術(shù)

1.1 遙感技術(shù)

遙感技術(shù)的用途廣泛，可以測(cè)量地質(zhì)環(huán)境、資源、地貌等。在礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中運(yùn)用遙感技術(shù)能獲得精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，提升礦區(qū)治理水平，促進(jìn)采礦行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。具體而言，遙感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面。其一，有很高的測(cè)量精度。遙感技術(shù)應(yīng)用范圍廣，獲取的地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)十分精確，能節(jié)約不必要的重復(fù)探測(cè)時(shí)間，提高測(cè)繪工作的效率。其二，有很強(qiáng)的抗干擾能力。運(yùn)用傳統(tǒng)方法進(jìn)測(cè)量礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)的一個(gè)缺陷就是會(huì)受到多方面因素的影響，如外界的地理環(huán)境、天氣變化等都可能干擾測(cè)量過(guò)程，導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。應(yīng)用遙感技術(shù)就能完全避免這個(gè)問(wèn)題，并且其能依據(jù)探測(cè)對(duì)象所反射的獨(dú)特電磁波進(jìn)行測(cè)量與分辨。其三，能迅速搜集信息。遙感技術(shù)是通過(guò)地球衛(wèi)星所傳遞的信息實(shí)現(xiàn)的，所以其能夠在短時(shí)間內(nèi)反饋來(lái)自世界各地的信息，技術(shù)人員根據(jù)衛(wèi)星反饋可以隨時(shí)查看相關(guān)數(shù)據(jù)，信息的時(shí)效性很強(qiáng)[2]。

1.2 GPS RTK 技術(shù)

GPS RTK 技術(shù)屬于實(shí)時(shí)地圖繪制技術(shù)，在礦山地質(zhì)監(jiān)測(cè)中其不僅能監(jiān)測(cè)礦井表面，還能實(shí)行大范圍的高精度監(jiān)測(cè)。相比較傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)，RTK 技術(shù)運(yùn)用了動(dòng)態(tài)載波相位差方法，可以在短時(shí)間內(nèi)解讀數(shù)據(jù)，提高測(cè)量精度。GPS RTK 系統(tǒng)中采用的接收器至少有兩個(gè)，通過(guò)載波相位差技術(shù)完成測(cè)量。在實(shí)際工作時(shí)，收集衛(wèi)星先獲取定位數(shù)據(jù)，接著利用串口向無(wú)線傳輸站發(fā)送，而移動(dòng)站通過(guò)GPS 系統(tǒng)獲取定位數(shù)據(jù)，之后傳輸至移動(dòng)接收器。GPS 移動(dòng)接收器在這個(gè)過(guò)程中負(fù)責(zé)收集與整理原始數(shù)據(jù)。最終，移動(dòng)接收器根據(jù)基站發(fā)送的位置坐標(biāo)與原始數(shù)據(jù)判斷出具體坐標(biāo)。除此之外，技術(shù)人員可以運(yùn)用GPS RTK 技術(shù)在勘測(cè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行定位、測(cè)量地形與高度等。GPS RTK 技術(shù)將移動(dòng)臺(tái)測(cè)量與基站測(cè)量?jī)煞N模式結(jié)合在一起，不僅能節(jié)約測(cè)量成本，還能提升測(cè)繪效率，并且還具有動(dòng)態(tài)策略、通用性強(qiáng)、適用范圍廣等優(yōu)勢(shì)。

1.3 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)

應(yīng)用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的一大優(yōu)勢(shì)就是實(shí)時(shí)性，可以及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)礦山儲(chǔ)量的變化情況，從而科學(xué)制定與調(diào)整采礦方案，優(yōu)化礦山資源的建設(shè)與開(kāi)發(fā)，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。大部分礦山分布的地區(qū)都比較偏遠(yuǎn)，不僅地形復(fù)雜，而且自然條件也比較惡劣，在一定程度上增大了采礦難度，為避免浪費(fèi)礦產(chǎn)資源，相關(guān)單位需要實(shí)行礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。應(yīng)用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)能在高空中全面監(jiān)測(cè)礦山情況，排除附近地形地貌等外界環(huán)境因素對(duì)監(jiān)測(cè)的干擾，從而降低監(jiān)測(cè)難度，獲取真實(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)結(jié)果。無(wú)人機(jī)自帶數(shù)碼相機(jī)，能實(shí)時(shí)采集礦區(qū)地形資料，而且其對(duì)場(chǎng)地條件沒(méi)有過(guò)多要求，相比之下資金投入少，性價(jià)比較高。

2 礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容

2.1 礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)

礦山開(kāi)采活動(dòng)無(wú)疑會(huì)破壞礦區(qū)內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境，尤其是大規(guī)模開(kāi)采，會(huì)導(dǎo)致巖體變形、地裂縫等，破壞地下水平衡與地貌景觀，影響生態(tài)平衡。所以開(kāi)展礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)必須加強(qiáng)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)，一方面要監(jiān)測(cè)開(kāi)采活動(dòng)導(dǎo)致的塌陷、泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，另一方面要監(jiān)測(cè)開(kāi)采活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的不良影響，包括土地沙化、水污染等。礦山開(kāi)采中主要的地質(zhì)災(zāi)害共有以下三種：其一，滑坡。山體滑坡在礦山地區(qū)發(fā)生率很高，指高山上或斜坡上的泥土受到重力作用而自上向下運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。在進(jìn)行開(kāi)采活動(dòng)時(shí)，一旦碰到陰雨天氣，尤其是大到暴雨，山體滑坡很可能發(fā)展為大規(guī)模的泥石流災(zāi)害，嚴(yán)重威脅工作人員與礦區(qū)附近住戶的生命財(cái)產(chǎn)安全。其二，塌陷。與滑坡災(zāi)害相比，塌陷形成的過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。隨著采礦活動(dòng)的進(jìn)行，位于地下的礦層也被開(kāi)采一空，地下空間變得十分空曠，這種情況下采空區(qū)頂板巖石層受到上部巖層的施壓與自身重力的作用會(huì)逐漸變形，最后處于向下彎曲狀態(tài)。其三，崩塌。崩塌災(zāi)害大多發(fā)生在礦區(qū)內(nèi)軟硬相間的巖層處，通常是由于巖體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。倘若巖體結(jié)構(gòu)面有切割或蠕動(dòng)現(xiàn)象，很可能引起落石和崩塌，預(yù)防措施主要是控制相關(guān)誘發(fā)因素。

2.2 礦山安全監(jiān)測(cè)

采礦行業(yè)的迅速發(fā)展雖然產(chǎn)生了較多的經(jīng)濟(jì)效益，增加了社會(huì)財(cái)富，為綜合國(guó)力的提升做出了貢獻(xiàn)，但同時(shí)也帶來(lái)了負(fù)面影響。因?yàn)槲覈?guó)目前在礦山開(kāi)采活動(dòng)中使用的裝備、技術(shù)等都落后于國(guó)際水平，而且開(kāi)采秩序混亂，經(jīng)常出現(xiàn)非法采礦的情況，這些問(wèn)題在一定程度上阻礙了采礦行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，嚴(yán)重威脅了礦山的安全生產(chǎn)，并且還破壞了礦區(qū)環(huán)境與生態(tài)平衡，所以相關(guān)單位必須加強(qiáng)礦山安全監(jiān)測(cè)。具體包括以下幾方面內(nèi)容：①動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)驚嚇圍巖的變形情況；②監(jiān)測(cè)礦區(qū)頂板；③監(jiān)測(cè)地下采礦活動(dòng)是否破壞地面建筑物與具體的破壞程度；④在水體下進(jìn)行采礦活動(dòng)時(shí)的安全監(jiān)測(cè)；⑤在鐵路下進(jìn)行采礦活動(dòng)時(shí)的安全監(jiān)測(cè)；⑥尾礦壩的安全監(jiān)測(cè)。應(yīng)用測(cè)繪技術(shù)開(kāi)展礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，需要測(cè)量的內(nèi)容則主要是井下部分，包括井下平面、井下高層和井下貫通[3]。

3 測(cè)繪技術(shù)在礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 遙感技術(shù)在礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用要點(diǎn)

遙感測(cè)繪技術(shù)在礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用要點(diǎn)主要包括校正輻射、影像融合及信息提取。輻射校正主要分為相對(duì)輻射校正與絕對(duì)輻射校正，正因?yàn)檩椛湫Ｕ龑?duì)遙感影像的成像時(shí)間及空間分辨率有非常高的要求，所以可以通過(guò)輻射校正減小影像成像時(shí)間誤差且提高清晰度。但是在實(shí)際采礦作業(yè)時(shí)，應(yīng)通過(guò)降低大氣條件及陽(yáng)光照射角度等因素影響的方式提前做好校正措施，從而減小地質(zhì)監(jiān)測(cè)出現(xiàn)的誤差。影響融合是遙感技術(shù)在礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的非常關(guān)鍵的一種技術(shù)，涵蓋了光譜信息、空間分辨率及紋理等內(nèi)容。一般情況下，通過(guò)優(yōu)化圖像融合處理將多種方法融合能夠保證圖像清晰，提高影像質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用中常用的方式包括多波段影像數(shù)據(jù)融合與影響融合。礦山地質(zhì)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)就是地理信息系統(tǒng)，想要對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境信息進(jìn)行識(shí)別，就需要依靠地理信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息提取。結(jié)束遙感影像監(jiān)測(cè)后需要進(jìn)行圖形分割，從而詳細(xì)分析圖形中包含的信息并實(shí)現(xiàn)分類整理。

遙感技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境中的具體監(jiān)測(cè)方式包括山體滑坡監(jiān)測(cè)、空間塌陷監(jiān)測(cè)與礦山地質(zhì)污染監(jiān)測(cè)。在礦山開(kāi)采過(guò)程中，連降暴雨、露天開(kāi)采及道路開(kāi)挖等易造成山體滑坡，陡峭位置更易發(fā)生此類問(wèn)題。人們可以借助監(jiān)測(cè)觀察滑坡面的凹凸差異及上陡下緩，在此基礎(chǔ)上加強(qiáng)測(cè)繪圖形的處理能夠更換的掌握滑坡發(fā)育情況，凸顯線性，使得監(jiān)測(cè)圖形清晰度得到大幅度提升。由于滑坡移動(dòng)速度非常快，使得實(shí)際監(jiān)測(cè)呈現(xiàn)的圖形清晰度偏低，區(qū)域顯示較淺。因礦山地質(zhì)環(huán)境差異較大，空間塌陷表現(xiàn)出的破壞力也存在很多的差異，并且會(huì)清晰的呈現(xiàn)在遙感測(cè)繪獲取的信息圖上。空間塌陷位置顯示在TM 圖像上時(shí)，通常為單獨(dú)的橢圓形，但也可能出現(xiàn)板塊或者環(huán)形斑點(diǎn)，顏色深淺也有所不同。具體監(jiān)測(cè)成像后，在水體亮度值上B1 具有較大的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)調(diào)整能夠借助亮度深淺預(yù)測(cè)塌陷區(qū)變化狀況。環(huán)境污染是礦山開(kāi)采過(guò)程中容易造成的一種問(wèn)題，且影響當(dāng)?shù)厮Y源及地質(zhì)，因此必須加強(qiáng)礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)。在實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí)，圖像顯示顏色能夠反應(yīng)區(qū)域的污染程度，水污染區(qū)域在圖像中呈現(xiàn)粉紅色，區(qū)域嚴(yán)重污染則呈現(xiàn)亮白色或暗褐紅色。遙感測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用在礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中，可以有效的對(duì)開(kāi)采區(qū)域地質(zhì)環(huán)境、水環(huán)境等進(jìn)行監(jiān)控[4]。

3.2 GPS RTK 技術(shù)在礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用要點(diǎn)

在實(shí)際地形測(cè)繪時(shí)，借助GPS RTK 技術(shù)對(duì)地形綜合測(cè)試能夠得到比較完善的礦山工程地質(zhì)數(shù)據(jù)。由于地形與實(shí)際測(cè)繪作業(yè)的影響，使得礦山工程控制網(wǎng)絡(luò)具有區(qū)域特征。為確保精度要求，保證測(cè)量點(diǎn)的精確值，就需要將測(cè)量點(diǎn)平均差異與充分測(cè)量控制點(diǎn)對(duì)中心礦區(qū)地形與測(cè)繪區(qū)域的影響結(jié)合起來(lái)。相關(guān)人員在進(jìn)行測(cè)量與實(shí)際制圖時(shí)，需要依據(jù)工作原理對(duì)傳統(tǒng)工作概念進(jìn)行轉(zhuǎn)變，使得地形技術(shù)與GPS RTK 制圖有效結(jié)合。因控制點(diǎn)密度較低、區(qū)域土地覆蓋面廣、礦區(qū)面積大及對(duì)區(qū)域了解較少影響，利用GPS RTK 測(cè)繪技術(shù)能夠?qū)⒉傻V區(qū)特殊地形、地形圖及垂直水平剖面測(cè)量出來(lái)。GPS RTK 技術(shù)應(yīng)用在測(cè)繪采礦作業(yè)中不僅要注意以前的要點(diǎn)，還需要對(duì)一些基本問(wèn)題給予重視，主要包括以下兩點(diǎn)，第一，在實(shí)際操作時(shí)，為更好的控制點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)誤差與多路徑效應(yīng)的產(chǎn)生，需要對(duì)異動(dòng)臺(tái)和精密站進(jìn)行合理控制，保證二者距離在10km 范圍內(nèi)。第二，精確的內(nèi)部映射是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量操作的主要目的，若在操作時(shí)測(cè)量較多控制點(diǎn)，應(yīng)該提前進(jìn)行測(cè)量操作草圖的繪制，確保繪圖準(zhǔn)確。

放線工作在采礦工程測(cè)量中屬于基礎(chǔ)測(cè)量工程，相比較傳統(tǒng)地形與繪圖方法而言，測(cè)量時(shí)間相對(duì)較短且工作結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確。在采礦工程中，土方工程量驗(yàn)收測(cè)量是繪圖和地形工作，一般情況下多數(shù)礦業(yè)公司為確保礦產(chǎn)資源開(kāi)采效率，制定日常采礦計(jì)劃。繪制工作面的平面是啟動(dòng)GPS RTK 技術(shù)的前提，繪制后需要建立工作控制點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。通常情況下，映射控制點(diǎn)的工作時(shí)間不僅短，而且還能夠確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。將計(jì)算提取的礦石量和采礦計(jì)劃對(duì)比分析，對(duì)日常工程進(jìn)行總結(jié)。除此之外，GPS RTK 技術(shù)系統(tǒng)中還能夠應(yīng)用數(shù)字技術(shù)，不僅集成了礦物工程測(cè)量數(shù)據(jù)的處理與采集，還能夠和合成圖形軟件共同使用，數(shù)字自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理與映射也適用于CASS 映射。

3.3 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用要點(diǎn)

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用主要分為兩個(gè)部分，其一是獲取與處理數(shù)據(jù)，其二是地質(zhì)測(cè)量。第一個(gè)階段，首先要制定航攝方案，技術(shù)人員要根據(jù)礦山的分布情況等確定航線，并且在特定部位采用無(wú)人機(jī)攜帶的數(shù)碼相機(jī)拍攝礦區(qū)的地形地貌，注意航帶內(nèi)與不同航帶間的重疊情況。其次是控制測(cè)量。在測(cè)量礦山儲(chǔ)量時(shí)，要確?？刂泣c(diǎn)的直徑是1m，并且應(yīng)分布在測(cè)量區(qū)域的中間與四周，設(shè)置多個(gè)控制點(diǎn)來(lái)使工作難度降低，這樣也能獲得更好的整體監(jiān)測(cè)效果。再次是空三加密。利用光束法在空中進(jìn)行三角測(cè)量，為確保結(jié)果準(zhǔn)確，要采取外業(yè)處理措施，然后利用內(nèi)業(yè)解算定向點(diǎn)的高程、坐標(biāo)等數(shù)據(jù)。第四是生成DEM 與DOM。采用空三加密方式生成間距一定的三維點(diǎn)云文件，并將按照比例尺轉(zhuǎn)化為DEM。結(jié)合DEM 與外方元素微分糾正各個(gè)像，進(jìn)而得到DOM。最后是檢查DOM 與DEM 的質(zhì)量。在正式進(jìn)行礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)前要全面地檢驗(yàn)DOM 與DEM 的精度，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性[5]。

在地質(zhì)測(cè)量階段，采礦單位要先利用公式Q=S×H 評(píng)估礦山儲(chǔ)量資源，其中Q、S、H 分別代表資源儲(chǔ)量、采坑面積和平均采深，根據(jù)實(shí)際情況確定儲(chǔ)量估算參數(shù)，采坑面積的評(píng)估通常是結(jié)合無(wú)人機(jī)拍攝的資源儲(chǔ)量圖，而平均采深則是按照各個(gè)測(cè)量點(diǎn)底板與頂板的差值計(jì)算。

總之，無(wú)論是為了礦山開(kāi)采安全，還是為了保護(hù)礦山地質(zhì)環(huán)境，應(yīng)用測(cè)繪技術(shù)開(kāi)展礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)都是非常有必要的。目前常用的遙感技術(shù)、GPS RTK 技術(shù)和無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在這方面各有各的優(yōu)勢(shì)，相關(guān)單位和工作人員要結(jié)合礦山的所在區(qū)域等具體情況選擇適合的測(cè)繪方法，也可以結(jié)合使用兩種或多種測(cè)繪技術(shù)，提升測(cè)繪的精度，科學(xué)處理獲取的數(shù)據(jù)，制定具有可行性的礦山開(kāi)采方案，加強(qiáng)礦山管理，在保證環(huán)境效益的基礎(chǔ)上促進(jìn)采礦行業(yè)蓬勃發(fā)展。